近年來(lái)，智能電網(wǎng)、FTTx和3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是支撐線纜行業(yè)蓬勃發(fā)展的主動(dòng)力。智能電網(wǎng)要求電力系統(tǒng)中輔以信息技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化的特征;FTTx和3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求信息通信的同時(shí)解決網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的用電問題，因此應(yīng)用于電力系統(tǒng)中兼顧電力傳輸和信息通信的各類復(fù)合纜和特種光纜(本文統(tǒng)稱為電力光纜)應(yīng)運(yùn)而生。
電力光纜按敷式方式和應(yīng)用場(chǎng)合可分為三種，即電力線附加型、桿塔添加型和電力線復(fù)合型。電力線附加型主要有地線纏繞光纜(GWWOP)和捆綁式光纜(ADL);桿塔添加型主要有全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)和金屬自承光纜(MASS);電力線復(fù)合型通常是指在傳統(tǒng)的電力線中復(fù)合光纖單元，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)通電或防雷功能的同時(shí)進(jìn)行光纖通信，主要有光纖復(fù)合架空地線(OPGW)、光纖復(fù)合架空相線(OPPC)、光電混合纜(GD)、光纖復(fù)合低壓電纜(OPLC)等。
1 、地線纏繞式光纜GWWOP和捆綁式光纜ADL
(1)地線纏繞式光纜GWWOP(Ground Wire Wind Optical Cable)——是一種直接纏繞在架空地線上的光纜，它沿著輸電線路以地線為中心軸螺旋纏繞在地線上，形成一種依附于輸電線支承的光傳輸媒介。
(2)捆綁式光纜ADL(All Dielectric Lashed Cable)——是一種通過一條或兩條抗風(fēng)化的膠帶、被覆芳綸線或金屬線捆綁在地線或相線上。與GWWOP光纜相比，減少了光纜由于彎曲纏繞而引起衰減偏大或應(yīng)力增加。
圖1. GWWOP和ADL光纜安裝示意圖
這兩類光纜被統(tǒng)稱為附加型光纜—OPAC(Optical Attached Cable)，一般用于35kV以下線路中，早在上世紀(jì)80年代初就已經(jīng)開發(fā)并被電力部門所使用，是電力系統(tǒng)中建設(shè)光纖通信網(wǎng)絡(luò)既經(jīng)濟(jì)又快捷的方式。他們不是自承式光纜，是附加在原有地線或相線上的，如圖1所示，因此該纜具有輕型柔軟、且外徑小等優(yōu)點(diǎn)，一般采用全介質(zhì)中心管式光纜結(jié)構(gòu)，如圖2所示，非金屬加強(qiáng)層通常采用芳綸纖維紗、玻璃纖維紗和玻璃纖維帶等柔性材料。
圖2. 常用GWWOP和ADL光纜結(jié)構(gòu)圖
這兩類纜安裝時(shí)需要特殊的器具，安裝完后，光纜直接與電力線接觸，所以都需要承受線路短路時(shí)相線或地線上產(chǎn)生的高溫，都有外護(hù)套材料老化問題，因此雖然研究和應(yīng)用早于ADSS光纜，但是在國(guó)內(nèi)沒有大范圍的應(yīng)用。在線路設(shè)計(jì)時(shí)，還需覆冰和風(fēng)載校驗(yàn)電力線和桿塔強(qiáng)度。
近年來(lái)，智能電網(wǎng)、FTTx和3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是支撐線纜行業(yè)蓬勃發(fā)展的主動(dòng)力。智能電網(wǎng)要求電力系統(tǒng)中輔以信息技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化的特征;FTTx和3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求信息通信的同時(shí)解決網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的用電問題，因此應(yīng)用于電力系統(tǒng)中兼顧電力傳輸和信息通信的各類復(fù)合纜和特種光纜(本文統(tǒng)稱為電力光纜)應(yīng)運(yùn)而生。
電力光纜按敷式方式和應(yīng)用場(chǎng)合可分為三種，即電力線附加型、桿塔添加型和電力線復(fù)合型。電力線附加型主要有地線纏繞光纜(GWWOP)和捆綁式光纜(ADL);桿塔添加型主要有全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)和金屬自承光纜(MASS);電力線復(fù)合型通常是指在傳統(tǒng)的電力線中復(fù)合光纖單元，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)通電或防雷功能的同時(shí)進(jìn)行光纖通信，主要有光纖復(fù)合架空地線(OPGW)、光纖復(fù)合架空相線(OPPC)、光電混合纜(GD)、光纖復(fù)合低壓電纜(OPLC)等。
1 、地線纏繞式光纜GWWOP和捆綁式光纜ADL
(1)地線纏繞式光纜GWWOP(Ground Wire Wind Optical Cable)——是一種直接纏繞在架空地線上的光纜，它沿著輸電線路以地線為中心軸螺旋纏繞在地線上，形成一種依附于輸電線支承的光傳輸媒介。
(2)捆綁式光纜ADL(All Dielectric Lashed Cable)——是一種通過一條或兩條抗風(fēng)化的膠帶、被覆芳綸線或金屬線捆綁在地線或相線上。與GWWOP光纜相比，減少了光纜由于彎曲纏繞而引起衰減偏大或應(yīng)力增加。
圖1. GWWOP和ADL光纜安裝示意圖
這兩類光纜被統(tǒng)稱為附加型光纜—OPAC(Optical Attached Cable)，一般用于35kV以下線路中，早在上世紀(jì)80年代初就已經(jīng)開發(fā)并被電力部門所使用，是電力系統(tǒng)中建設(shè)光纖通信網(wǎng)絡(luò)既經(jīng)濟(jì)又快捷的方式。他們不是自承式光纜，是附加在原有地線或相線上的，如圖1所示，因此該纜具有輕型柔軟、且外徑小等優(yōu)點(diǎn)，一般采用全介質(zhì)中心管式光纜結(jié)構(gòu)，如圖2所示，非金屬加強(qiáng)層通常采用芳綸纖維紗、玻璃纖維紗和玻璃纖維帶等柔性材料。
圖2. 常用GWWOP和ADL光纜結(jié)構(gòu)圖
這兩類纜安裝時(shí)需要特殊的器具，安裝完后，光纜直接與電力線接觸，所以都需要承受線路短路時(shí)相線或地線上產(chǎn)生的高溫，都有外護(hù)套材料老化問題，因此雖然研究和應(yīng)用早于ADSS光纜，但是在國(guó)內(nèi)沒有大范圍的應(yīng)用。在線路設(shè)計(jì)時(shí)，還需覆冰和風(fēng)載校驗(yàn)電力線和桿塔強(qiáng)度。
2 、全介質(zhì)自承式光纜ADSS和金屬自承式光纜MASS
(1)全介質(zhì)自承式光纜ADSS(All dielectric self-supporting optical fiber cable)——是一種利用現(xiàn)有的高壓輸電桿塔，與電力線同桿架設(shè)的特種光纜，具有工程造價(jià)低、施工方便、安全性高和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
ADSS光纜是自承式架空敷設(shè)，應(yīng)具有較大的抗拉強(qiáng)度，以保證正常運(yùn)行時(shí)能承載外界環(huán)境影響。ADSS光纜主要承載元件為芳綸紗線，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為中心管式和層絞式兩種，其中層絞式結(jié)構(gòu)分為單護(hù)層和雙護(hù)套結(jié)構(gòu)，具體如下圖3。
圖3.ADSS光纜結(jié)構(gòu)圖
ADSS光纜在力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，除具有一定的抗拉強(qiáng)度外，還需考慮一定檔距下安裝ADSS光纜對(duì)地面的安全距離和滿負(fù)載環(huán)境下對(duì)地安全距離，以防影響路面正常運(yùn)作。另一方面，由于高壓電力線周圍存在著一定的高壓電場(chǎng)環(huán)境，容易腐蝕損害ADSS光纜，因此ADSS光纜在敷設(shè)時(shí)不僅要選擇適宜的懸掛點(diǎn)，同時(shí)外護(hù)套也需具有一定的耐電腐蝕能力。根據(jù)DL/T 788-2001《全介質(zhì)自承式光纜》標(biāo)準(zhǔn)要求，外護(hù)套可以分為A級(jí)(電位小于12kV)和B級(jí)(電位大于12kV)，其中B級(jí)護(hù)套(通常稱為耐電痕護(hù)套料)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，一般建議懸掛點(diǎn)運(yùn)行電位不超過25kV。
(2)金屬自承式光纜MASS(Metal Aerial Self-Supporting optical fiber cable)——不銹鋼管光纖單元結(jié)構(gòu)，考慮MASS光纜同ADSS光纜一樣與現(xiàn)有桿塔進(jìn)行同桿架設(shè)，為減少對(duì)桿塔的額外負(fù)載，要求MASS光纜結(jié)構(gòu)小、重量輕。因此MASS光纜結(jié)構(gòu)采用中心管式，即不銹鋼光纖單元外面絞合一層鍍鋅鋼絲或鋁包鋼絲，通常從成本考慮，以鍍鋅鋼絲為主，如圖4所示。
圖4. MASS結(jié)構(gòu)圖
MASS光纜在力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)與ADSS光纜類似，同樣需要進(jìn)行檔距—拉力—弧垂驗(yàn)算。但是在安裝敷設(shè)時(shí)，應(yīng)選擇合適的懸掛點(diǎn)，一方面與電力線保持一定的安全距離;另一方面，因?yàn)镸ASS光纜是金屬結(jié)構(gòu)，通過良好的接地處理和選擇弱電場(chǎng)安裝點(diǎn)，可以方便的解決電腐蝕問題。因?yàn)镸ASS光纜是全金屬結(jié)構(gòu)，在一些鼠害猖狂地區(qū)，它還可以作為有效的防鼠光纜架空應(yīng)用。
3 、光纖復(fù)合架空地線OPGW和光纖復(fù)合架空相線OPPC
(1)光纖復(fù)合架空地線OPGW(Optical fibre composite overhead ground wires)——它具有傳統(tǒng)地線防雷的功能，對(duì)輸電導(dǎo)線抗雷電提供屏蔽保護(hù)的作用，同時(shí)通過復(fù)合在地線中的光纖來(lái)傳輸信息。常見的OPGW結(jié)構(gòu)主要有三大類，分別為鋁管型、鋁骨架型和不銹鋼管型，如圖5。
圖5. OPGW結(jié)構(gòu)圖
OPGW的關(guān)鍵技術(shù)之一是短路電流引起的溫升和OPGW的最高使用溫度，圖4中前兩種結(jié)構(gòu)的OPGW在短路電流沖擊時(shí)，鋁管和鋁骨架會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的溫度且向內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)而影響光纖傳輸甚至斷纖現(xiàn)象，而不銹鋼管型明顯改善很多。若結(jié)構(gòu)中含有鋁，在超過200℃以后，首先是鋁產(chǎn)生不可逆塑性形變，在結(jié)構(gòu)受到破壞的同時(shí)，OPGW增大的弧垂不但不能保持與導(dǎo)線的安全間距還將可能與導(dǎo)線相碰，若是全鋼結(jié)構(gòu)則可短時(shí)工作在300℃。
OPGW在新建線路中應(yīng)用具有較高的性價(jià)比，在設(shè)計(jì)時(shí)，OPGW的短路電流越大時(shí)，就需要用更多的鋁截面積，則抗拉強(qiáng)度相應(yīng)降低;而在抗拉強(qiáng)度一定的情況下，要提高短路電流容量，只有增大金屬截面積，從而導(dǎo)致纜徑和纜重增加，這樣就對(duì)線路桿塔強(qiáng)度提出了安全問題。但是OPGW設(shè)計(jì)時(shí)其電氣性能(如直流電阻)和機(jī)械性能(如檔距—張力—弧垂特性)應(yīng)與另一根地線接近。
(2)光纖復(fù)合架空相線OPPC(Optical Fiber Composition Phase Conductor)——是將光纖單元復(fù)合在相線中，具有相線和通信的雙重功能，彌補(bǔ)了新建電網(wǎng)線路中無(wú)架空地線卻要通信的場(chǎng)合，主要有中心管式和層絞式兩種，如圖6。
圖6 OPPC結(jié)構(gòu)圖
雖然OPPC結(jié)構(gòu)與OPGW類似，但是在設(shè)計(jì)卻有很大差異。首先，OPPC由于具有相線的功能，長(zhǎng)期承載電力傳送，因考慮長(zhǎng)期運(yùn)行溫度對(duì)光纖傳輸性能和光纖壽命的影響;其次，OPPC的機(jī)械性能和電氣性能應(yīng)與相鄰導(dǎo)線一致，如直流電阻或阻抗與相鄰導(dǎo)線相似，以保證遠(yuǎn)端電壓變化保持三相平衡;再次，OPPC安裝在高壓系統(tǒng)中，其安裝的金具和附件(如耐張線夾，懸垂線夾和終端接頭盒)需絕緣，線夾可用相應(yīng)的絕緣耐張線串或絕緣懸垂串，光電絕緣/分離和連接則需要特殊的技術(shù)，對(duì)施工的要求也比較高。
4 、接入網(wǎng)用光電混合纜GD
接入網(wǎng)用光電混合纜GD(Optical and electrical hybrid cables for access network)——俗稱綜合光纜，它集光纖、金屬線對(duì)和饋電線于一體，可以同時(shí)傳輸光信號(hào)、電信號(hào)和電能，其典型結(jié)構(gòu)如圖7。
圖7 接入網(wǎng)用光電混合纜結(jié)構(gòu)圖
隨著接入網(wǎng)技術(shù)和市場(chǎng)的快速發(fā)展，光纖通信開始進(jìn)入新一輪高速增長(zhǎng)階段, 移動(dòng)通信、數(shù)字電視(中間轉(zhuǎn)換)、寬帶接入、FTTx、農(nóng)村村村通工程等將通信光纜和設(shè)備不斷地向用戶延伸，遠(yuǎn)端基站、通信機(jī)房、用戶接入點(diǎn)等設(shè)備開始大量應(yīng)用，而設(shè)備的供電卻成為通信運(yùn)營(yíng)商十分棘手的問題，為解決此問題，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布了YD/T 2159-2010《接入網(wǎng)用光電混合纜》，為該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
雖然我們可以通過GD光纜可以給遠(yuǎn)端設(shè)備供電和傳輸信息，但是饋電線中存在線路損耗，且隨著傳輸距離的加長(zhǎng)而增大，同時(shí)還存在著壓降問題。因此，高壓直流遠(yuǎn)供電無(wú)疑是解決長(zhǎng)距離通信的最佳方案。高壓直流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)的原理是將機(jī)房?jī)?nèi)開關(guān)電源的48 V 直流電通過遠(yuǎn)供電源局端設(shè)備隔離升壓到約200～400 V 直流高壓，將直流高壓電通過GD光纜中饋電線傳輸?shù)竭h(yuǎn)端設(shè)備處，傳輸過程中電源處于對(duì)地懸浮狀態(tài)，通過遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行電壓逆變，變換到遠(yuǎn)端設(shè)備所需電壓(如DC48 V 或AC220V)，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端設(shè)備正常通信，如圖8。
圖8 高壓直流遠(yuǎn)端供電原理圖
GD光纜在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，主要是饋電線的截面積選取，饋電線的截面積與傳輸距離、用電設(shè)備功率、傳輸電壓等級(jí)、遠(yuǎn)供電設(shè)備接收電壓范圍等有關(guān)，線纜設(shè)計(jì)完后，還需進(jìn)一步驗(yàn)算線纜損耗，一般線纜損耗功率不超過遠(yuǎn)供局端設(shè)備輸出功率的10%為宜。
5、 光纖復(fù)合低壓電纜—OPLC
光纖復(fù)合低壓電纜OPLC(Optical Fiber Composite Low-Voltage Cable)——是將經(jīng)過保護(hù)后的光纖單元置于電力線纜中，可用于額定電壓0.6/1kV及其以下電力系統(tǒng)中，同時(shí)解決光纖信息通信的問題。OPLC倡導(dǎo)的電力光纖到戶(Power and Fiber to the home，簡(jiǎn)稱PFTTH)，即配合無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)、電力傳輸網(wǎng)、電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等“多網(wǎng)融合”的概念完全符合我國(guó)現(xiàn)階段電信運(yùn)營(yíng)商提出的“三網(wǎng)融合”建設(shè)的浪潮，因此可以通過OPLC構(gòu)建電信公共服務(wù)平臺(tái)，加速和節(jié)約我國(guó)光纖到戶建設(shè)。
OPLC在設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮是光單元結(jié)構(gòu)的選用，層絞式光纜可以包含較多芯數(shù)光纖，比較適宜配網(wǎng)時(shí)光纜的分歧和交接應(yīng)用;蝶形光纜因施工接續(xù)時(shí)可采用快速連接器進(jìn)行冷接，施工快速方便，比較適合入戶應(yīng)用。根據(jù)組網(wǎng)特性和實(shí)際使用芯數(shù)狀況，我們選取中心管式光纜、層絞式光纜和蝶形光纜三種結(jié)構(gòu)作為OPLC的光單元，且光單元由非金屬全介質(zhì)材料組成，如圖9所示。
圖9 OPLC典型光單元結(jié)構(gòu)示意圖
層絞式光單元和中心束管式光單元根據(jù)不同的敷設(shè)形式，又分為干式和油膏填充式。干式光單元可以滿足大芯數(shù)垂直敷設(shè)的需要，特別是在高層樓垂直布線中應(yīng)用較多，可以解決垂直敷設(shè)時(shí)油膏滴流問題，為OPLC在不同場(chǎng)合的應(yīng)用提供了方便。考慮緊套光纖結(jié)構(gòu)對(duì)溫度敏感性較大，一般不建議在OPLC中應(yīng)用。OPLC結(jié)構(gòu)如圖10所示，分為入戶用和配網(wǎng)用兩大類。
圖10 OPLC結(jié)構(gòu)圖
OPLC在產(chǎn)品開發(fā)之初主要討論的問題是電力導(dǎo)線在長(zhǎng)期工作過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)光纖的影響。亨通集團(tuán)在產(chǎn)品開發(fā)之初，同上海電纜研究所合作對(duì)OPLC進(jìn)行耐壓認(rèn)證性測(cè)試，也就是認(rèn)證電力導(dǎo)體溫度在75～80℃時(shí)(超出GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定聚氯乙烯絕緣電力電纜導(dǎo)體最高持續(xù)工作溫度70℃)，監(jiān)控絕緣芯線間溫度(也就是光單元外表溫度)，具體如圖11所示，經(jīng)過18天不間斷測(cè)試，在導(dǎo)體溫度不超過80℃時(shí)，絕緣芯線間溫度小于70℃，考慮光單元外護(hù)套對(duì)光纖的隔熱保護(hù)作用，光纖正常工作溫度不超過70℃，完全滿足光纖長(zhǎng)期使用條件，并且整個(gè)試驗(yàn)過程中，光纖衰減變化符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖11 OPLC耐熱試驗(yàn)
OPLC存在的問題：電力電纜運(yùn)行時(shí)，短路時(shí)(持續(xù)5 秒)導(dǎo)體最高溫度聚氯乙烯絕緣160℃，交聯(lián)聚乙烯絕緣250℃;此時(shí)的瞬時(shí)溫升對(duì)光單元中的光纖衰減影響程度，還需要進(jìn)一步的研究，在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，建議通過短路保護(hù)器進(jìn)行線纜保護(hù)。但從目前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，在正常運(yùn)行的工作狀態(tài)下，OPLC的使用未發(fā)現(xiàn)任何問題。我公司已在上海浦東峨山路越富豪庭智能小區(qū)、浙江省海鹽的智能試點(diǎn)小區(qū)、無(wú)錫市金科觀天下智能小區(qū)和上海浦東的張江名邸等智能用電小區(qū)試點(diǎn)項(xiàng)目中運(yùn)用了300多公里的OPLC電纜，運(yùn)行情況良好。
結(jié)束語(yǔ)
隨著農(nóng)村和城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，F(xiàn)TTx建設(shè)、3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、建筑的智能化，特別是公用建筑的智能系統(tǒng)變得越來(lái)越普遍。對(duì)傳統(tǒng)光纜和電力系統(tǒng)提出了新的要求，越來(lái)越多的電力光纜將會(huì)被期待甚至開發(fā)應(yīng)用，如我公司目前正著手開發(fā)的適用于額定電壓3.6/6～26/35kV的光纖復(fù)合中壓電纜和適用于額定電壓10kV及以下架空線路的光纖復(fù)合架空絕緣電纜等，但是目前還缺乏統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行定義，本文也就不具體敘述。相信這些產(chǎn)品的開發(fā)，對(duì)豐富我國(guó)中壓系統(tǒng)建設(shè)、電力資源的合理化應(yīng)用和多網(wǎng)融合具有積極的意義。